CN104407389A - 相位激电勘探中去除电磁耦合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球物理相位激电勘探技术领域，尤其涉及相位激电勘探中去除电磁耦合的方法。该方法包括：接收发射电极向地下发射的周期性方波信号，得到实测信号，所述实测信号包括基频信号及奇次谐波信号；分别计算所述基频信号及所述奇次谐波信号的激电相位值；从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按照预设计算规则去除电磁耦合。本发明实施例的相位激电勘探中去除电磁耦合的方法，能够有效去除相位激电勘探中的电磁耦合。

Description

相位激电勘探中去除电磁耦合的方法

技术领域

本发明涉及地球物理相位激电勘探技术领域，具体而言，涉及相位激电勘探中去除电磁耦合的方法。

背景技术

在地球物理相位激电勘探方法中，通过发射电极向地下供入一定频率的交流电流，接收电极接收通过大地后反馈回的实测信号。发射电极向地下供入一定频率的交流电流时，供电导线、测量导线和地球介质之间产生互感和自感响应，即产生电磁耦合效应。电磁耦合效应问题直接影响到相位激电法的探测结果，因此如何有效消除电磁耦合效应成为了地球物理研究工作的技术难题。

相关技术中，去除电磁耦合效应的方法主要包括：

1、利用电磁耦合系数消除电磁耦合效应，主要实施步骤包括：利用野外测量装置对每一个测量点进行勘测，并记录每个测量点的电阻率值；对记录的电阻率值进行光滑处理，利用光滑处理后的电阻率值计算电磁感应系数值；根据光滑处理后的电阻率值、计算得到的电磁感应系数值，计算得到完全由激电效应引起的电阻率响应和相位值，消除供电导线、测量导线和地球介质之间产生的电磁感应阻抗值。该种去除电磁耦合效应的方法，需要利用野外测量装置对测量点进行野外勘测获取每个测量点的电阻率值，而电阻率值的测量受到地形影响非常大，测量的电阻率值地形改正结果直接影响电磁耦合的消除程度，并且增加了大量的野外勘测工作。

2、延迟采样时间，避过电磁耦合。相位激电勘探中，电磁耦合效应主要发生在接收电极接收启示阶段电流方向转换瞬间，因此该方法中将测量得到的波形去除掉电流方向转换后一小段时间的数据来避免电磁耦合，然而相位激电勘探中的激发激化相位差也主要集中在该段时间内，采用该种方法不仅去除电磁耦合效应的效果有限，而且也去掉了激发极化效应产生的相位差，难以满足相位激电勘探的需求。

因此，如何在地球物理相位激电勘探中有效去除电磁耦合是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供相位激电勘探中去除电磁耦合的方法，以有效去除相位激电勘探中的电磁耦合。

本发明实施例中提供了一种相位激电中去除电磁耦合的方法，包括：接收发射电极向地下发射的周期性方波信号，得到实测信号，所述实测信号包括基频信号及奇次谐波信号；分别计算所述基频信号及所述奇次谐波信号的激电相位值；从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按照预设计算规则去除电磁耦合。

优选地，所述分别计算所述基频信号及所述奇次谐波信号的激电相位值，包括：利用基波参考信号对所述基频信号作第一相关运算；利用奇次谐波参考信号对所述奇次谐波信号作第二相关运算；根据所述第一相关运算及所述第二相关运算的结果，分别对应计算所述基频信号及所述奇次谐波信号的激电相位值。

优选地，所述利用基波参考信号对所述基频信号作第一相关运算，包括：利用所述基波参考信号所包括的正弦基波参考信号及余弦基波参考信号，分别对所述基频信号作相关运算；当所述正弦基波参考信号及所述余弦基波参考信号的频率与所述基频信号的频率相同时，计算基频信号实分量和基频信号虚分量。

优选地，根据所述第一相关运算的结果，计算所述基频信号的激电相位值，包括：利用所述基频信号实分量及所述基频信号虚分量，计算所述基频信号的激电相位值。

优选地，所述利用所述基频信号实分量及所述基频信号虚分量，计算所述基频信号的激电相位值，包括：将所述基频信号虚分量与所述基频信号实分量相除后，进行反正切运算，得到所述基频信号的激电相位值。

优选地，所述利用奇次谐波参考信号对所述奇次谐波信号作第二相关运算，包括：利用所述奇次谐波参考信号所包括的正弦奇次谐波参考信号及余弦奇次谐波参考信号，分别对相应的奇次谐波参考信号作相关运算；当所述正弦奇次谐波参考信号及所述余弦奇次谐波参考信号的频率与所述基频信号的频率相同时，计算奇次谐波实分量及奇次谐波虚分量。

优选地，根据所述第二相关运算的结果，计算所述奇次谐波信号的激电相位值，包括：利用所述奇次谐波实分量及所述奇次谐波虚分量，计算所述奇次谐波信号的激电相位值。

优选地，所述利用所述奇次谐波实分量及所述奇次谐波虚分量，计算所述奇次谐波信号的激电相位值，包括：将所述奇次谐波虚分量与所述奇次谐波实分量相除后，进行反正切运算，得到所述奇次谐波信号的激电相位值。

优选地，从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值，包括：从激电相位值与对应频率满足线性关系的频率范围内，选取两个频率的激电相位值。

优选地，从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按照预设计算规则去除电磁耦合，包括：从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值，利用公式φ_IP≈(n·φ_D-φ_G)/(n-1)计算激电效应相位值φ_IP；其中，f_g为选取的两个频率中较高的频率值，f_d为选取的两个频率中较低的频率值；φ_G为所述f_g所对应的激电相位值，φ_D为所述f_d所对应的激电相位值。

本发明实施例提供的相位激电勘探中去除电磁耦合的方法中，由发射电极向大地发射周期性方波信号，由于大地本身是线性的非时变系统，当周期信号通过大地时，信号的频率不会改变，只是振幅和相位发生变化。因此接收电极接收的实测信号中，基频信号及奇次谐波信号与周期性方波信号的基波信号及奇次谐波信号相比，仅是相位及振幅上的变化。

利用上述特性，接收端对实际接收的基频信号及奇次谐波信号进行计算处理分别得到与各个频率的实测信号相对应的激电相位值；之后利用量频去耦技术从计算得到的激电相位值中选取两个频率的激电相位值去除电磁耦合。

由此可见，利用本发明实施例的方法，能够实现单频发射，在接收端能够获得多频观测数据，且利用获得的多个频率中的其中两个频率的激电相位即可实现去除电磁耦合的效果，实施过程简单快捷，克服了相关技术中获取的数值受地形影响结果不准确、野外勘测工作量大以及会丢弃大量有效数据的技术问题。

综上可得，本发明实施例的相位激电勘探中去除电磁耦合的方法，能够有效去除相位激电勘探中的电磁耦合。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的相位激电勘探中去除电磁耦合方法的流程图；

图2示出了本发明实施例中周期性方波信号的示意图；

图3示出了本发明实施例中电磁耦合相位的频率特性图；

图4示出了利用本发明实施例的方法去除电磁耦合的效果曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种相位激电勘探中去除电磁耦合的方法，如图1所示，主要处理步骤包括：

步骤S11：接收发射电极向地下发射的周期性方波信号，得到实测信号，实测信号包括基频信号及奇次谐波信号；

步骤S12：分别计算基频信号及奇次谐波信号的激电相位值；

步骤S13：从计算得到的激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按照预设计算规则去除电磁耦合。

本发明实施例的上述去除电磁耦合的方法，由发射电极向地下发送周期性方波，该周期性方波的波形可以如图2所示，为周期为T，幅值为R的正负方波。

图2中所示的周期方波的数学表达公式为：

$V\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}R& 0<t<\frac{T}{2}\\ -R& -\frac{T}{2}<t<0\end{array}\right.$

上述周期性方波的傅里叶级数为：

$V\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}R[\sin \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\&omega;t}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{n}\sin \mathrm{n\&omega;t}]$

n＝1,3,5…

其中R为周期性方波的振幅；从周期性方波的傅里叶级数表示中可以看出该周期性方波只含有奇次谐波，谐波幅值随着谐波次数的增高而减小。

图2所给出的周期性方波中各次谐波的初始相位角均为零，根据实际需要，周期性方波的初始相位也可以为非零值。

发射电极向地下发射的周期性方波信号流经大地后在接收电极上形成电压信号，因为大地本身是线性的非时变系统，当周期性方波信号通过大地时，信号的频率不会改变，只是振幅和相位发生变化，因此根据接收到的实测信号可以分别计算出基频信号及奇次谐波信号的相位值(即激电相位值)实现对实测信号各频率数据的观测。从计算得到的各个频率的激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按照预设的计算规则去除电磁耦合。

本方法中，接收电极获取实测信号后，分别计算实测信号中基频信号及奇次谐波信号的激电相位值，具体实现方法包括：当接收电极接收到实测信号后，利用基波参考信号对基频信号作第一相关运算；利用奇次谐波参考信号对奇次谐波信号作第二相关运算；根据第一相关运算及第二相关运算的结果，分别对应计算基频信号及奇次谐波信号的激电相位值。

利用基波参考信号对基频信号作第一相关运算，包括：基波参考信号中包括正弦基波参考信号及余弦基波参考信号，利用上述正弦基波参考信号及余弦基波参考信号，分别对基频信号作相关运算；当正弦基波参考信号及余弦基波参考信号的频率与基频信号的频率相同时，计算基频信号实分量和基频信号虚分量。

计算得到基频信号实分量和基频信号虚分量后，利用基频信号实分量及基频信号虚分量，计算基频信号的激电相位值。

以下将结合具体示例对上述获取基频信号激电相位值的方法进行详细说明。

当发射极向地下发射的周期性方波信号为图2中所示的正负方波时，接收电极在接收端接收实测信号，其中在实测信号中基频信号的函数表示为：利用基波参考信号中所包括的正弦基波参考信号及余弦基波参考信号，对实测信号中的基频信号作相关运算，得到

当ω＝ω₀时，即当基波参考信号与发射信号的基频频率相同时，计算出只包含有基频信号的实分量和虚分量：

$\left\{\begin{array}{c}A=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}R\&CenterDot;\cos \mathrm{\&theta;}\\ B=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}R\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.,$ 其中A为基频信号实分量，B为基频信号虚分量。

得到基频信号实分量及基频信号虚分量后，将基频信号虚分量与基频信号实分量相除并进行反正切运算，得到基频信号的激电相位值。

根据上述计算规则，当发射极发射的周期性方波信号如图2所示时，基频信号的激电相位值为：接收到的基频信号的幅值为： $R=\sqrt{A^2+B^2}.$

利用奇次谐波参考信号对奇次谐波信号作第二相关运算，包括：利用奇次谐波参考信号所包括的正弦奇次谐波参考信号及余弦奇次谐波参考信号，分别对相应的奇次谐波参考信号作相关运算；当正弦奇次谐波参考信号及余弦奇次谐波参考信号的频率与基频信号的频率相同时，计算奇次谐波实分量及奇次谐波虚分量。

根据第二相关运算的结果，计算奇次谐波信号的激电相位值，包括：利用奇次谐波实分量及奇次谐波虚分量，计算奇次谐波信号的激电相位值。

当发射极向地下发射的周期性方波信号为图2中所示的正负方波时，接收电极在接收端接收实测信号，其中在实测信号中3次谐波信号的函数表示为：利用基波参考信号中所包括的三次谐波正弦参考信号及三次谐波余弦参考信号，对实测信号中的三次谐波信号作相关运算，得到

当ω＝3ω₀时，则计算出三次谐波信号实分量和虚分量，进而计算出3次谐波的相位与振幅。同理也可以计算出5、7、9…..等奇次谐波的相位与振幅。从而实现单频发射，获得多频观测数据。

利用奇次谐波实分量及奇次谐波虚分量，计算奇次谐波信号的激电相位值，包括：将奇次谐波虚分量与奇次谐波实分量相除后，进行反正切运算，得到奇次谐波信号的激电相位值。

本方法中，均匀大地地表接地供电导线和测量导线间电磁耦合阻抗的理论公式为： $z={\&Integral;}_{-b}^b{\&Integral;}_{-a}^{a}P\left(r\right)\mathrm{dsdl}+{\&Integral;}_{-b}^b{\&Integral;}_{-a}^a\frac{{\&PartialD;}^{2}Q\left(r\right)}{\&PartialD;s\&PartialD;l}\mathrm{dsdl};$

其中，P(r)是纯感应函数，Q(r)是接地函数，s为接地供电导线，l为测量导线，r为接地供电导线线元与测量导线线元间的距离。

将纯感应函数P(r)按级数展开为:

$A_0=\frac{{\left|k\right|}^3\mathrm{\&rho;}}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-b}^b{\&Integral;}_{-a}^a[\frac{2}{3!\sqrt{2}}-\frac{3\left|\mathrm{kr}\right|}{4!}+\frac{{4\left|\mathrm{kr}\right|}^2}{5!\sqrt{2}}-\frac{{6\left|\mathrm{kr}\right|}^4}{7!\sqrt{2}}+\frac{{7\left|\mathrm{kr}\right|}^5}{8!}-\frac{{8\left|\mathrm{kr}\right|}^6}{9!\sqrt{2}}+\frac{{10\left|\mathrm{kr}\right|}^8}{11!\sqrt{2}}-\frac{{11\left|\mathrm{kr}\right|}^9}{12!}+\frac{{12\left|\mathrm{kr}\right|}^{10}}{13!\sqrt{2}}-\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;]\mathrm{dsdl};$

$B_0=\frac{{\left|k\right|}^3\mathrm{\&rho;}}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-b}^b{\&Integral;}_{-a}^a[\frac{1}{2!\left|\mathrm{kr}\right|}-\frac{2}{3!\sqrt{2}}+\frac{{4\left|\mathrm{kr}\right|}^2}{5!\sqrt{2}}-\frac{{5\left|\mathrm{kr}\right|}^3}{6!\sqrt{2}}+\frac{{6\left|\mathrm{kr}\right|}^4}{7!}-\frac{{8\left|\mathrm{kr}\right|}^6}{9!\sqrt{2}}+\frac{{9\left|\mathrm{kr}\right|}^7}{10!}-\frac{{10\left|\mathrm{kr}\right|}^8}{11!}+\frac{{12\left|\mathrm{kr}\right|}^{10}}{13!\sqrt{2}}-\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;]\mathrm{dsdl};$

其中μ＝4π×10^-7H/m，ω为角频率，r为dL与ds之间的距离，ρ为均匀大地电阻率。

接地项在均匀半空间可由点电源供电的解给出公式： $C={\&Integral;}_{-b}^b{\&Integral;}_{-a}^a\frac{{\&PartialD;}^{2}Q\left(r\right)}{\&PartialD;s\&PartialD;l}\mathrm{dsdl}=\frac{\mathrm{\&rho;}}{2\mathrm{\&pi;}}[\frac{1}{\mathrm{AM}}-\frac{1}{\mathrm{AN}}-\frac{1}{\mathrm{BM}}+\frac{1}{\mathrm{BN}}];$ C为均匀大地上的直流电阻；

则电磁耦合效应相位角为：

根据不同的装置类型，取不同的r值、C值和积分上下限，计算出各种装置条件下均匀大地电磁耦合相位值。

根据前述各式正演计算均匀大地条件下中梯装置电磁耦合值，得到电磁耦合相位的频率特性，如图3所示。

从图3中所示的正演模拟结果曲线可看出，除了电阻率非常低时的高频段部分外，该点上的电磁耦合阻抗相位与频率在双对数坐标系中，呈现出近似线性的对应关系，曲线的斜率近似等于1。

从计算得到的激电相位值中，选取两个频率的激电相位值，包括：从激电相位值与对应频率满足线性关系的频率范围内，选取两个频率的激电相位值。

因此在满足线性关系的频率范围内，电磁耦合相位与频率满足关系式为：logφ_gEM-logφ_dEM≈logf_g-logf_d；

即 $\log \frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{gEM}}}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{dEM}}}\&ap;\log \frac{f_g}{f_d};$ 则 $\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{gEM}}}{{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{dEM}}}\&ap;\frac{f_g}{f_d}.$

式中：φ_gEM为高频电磁耦合相位，φ_dEM为低频电磁耦合相位，f_g为高频频率，f_d为低频频率。

在测点上观测高、低两个频率f_g和f_d的激电相位值φ_G和φ_D，这两个相位数据中既包含纯激电相位也含有电磁耦合相位，可将两个相位数据表示为φ_G＝φ_IP+φ_dEM和φ_D＝φ_IP+φ_gEM，φ_IP为纯激电相位。要去掉电磁耦合，需去除φ_gEM和φ_dEM，两个频率产生的电磁耦合满足因此倍的φ_D减去φ_G后，得到的就是倍的φ_IP。

所以由φ_G和φ_D两个实测相位校正出的激电效应相位值φ_IP的公式为：φ_IP≈(n·φ_D-φ_G)/(n-1)；式中

根据上述的分析，在从计算得到的激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按预设计算规则，去除电磁耦合的的具体方法为：从计算得到的激电相位值中，选取两个频率的激电相位值，利用公式φ_IP≈(n·φ_D-φ_G)/(n-1)计算激电效应相位值φ_IP；其中，f_g为选取的两个频率中较高的频率值，f_d为选取的两个频率中较低的频率值；φ_G为f_g所对应的激电相位值，φ_D为f_d所对应的激电相位值。

在从计算得到的激电相位值中，选取两个频率的激电相位值时，优选地，可以选取基频信号及奇次谐波信号的激电相位值进行去除电磁耦合的运算。

基于上述的技术可实现相位单频发射，获得多频测量结果，利用基频与谐波相位，实现去除电磁耦合的目的。这种去电磁耦合方法工作效率高，方法简单，算法可直接写入接收机程序，无需后期数据处理，可在测量时直接获得去耦后的相位数据。

如图4示出了中梯装置下，相位测量结果与校正后曲线对比情况。未进行校正前，基频和三次谐波曲线数值都为负值，校正后的相位值基本恢复了正常值，高极化部分异常明显。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.相位激电勘探中去除电磁耦合的方法，其特征在于，包括：

接收发射电极向地下发射的周期性方波信号，得到实测信号，所述实测信号包括基频信号及奇次谐波信号；

分别计算所述基频信号及所述奇次谐波信号的激电相位值；

从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按照预设计算规则去除电磁耦合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别计算所述基频信号及所述奇次谐波信号的激电相位值，包括：

利用基波参考信号对所述基频信号作第一相关运算；

利用奇次谐波参考信号对所述奇次谐波信号作第二相关运算；

根据所述第一相关运算及所述第二相关运算的结果，分别对应计算所述基频信号及所述奇次谐波信号的激电相位值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用基波参考信号对所述基频信号作第一相关运算，包括：

利用所述基波参考信号所包括的正弦基波参考信号及余弦基波参考信号，分别对所述基频信号作相关运算；

当所述正弦基波参考信号及所述余弦基波参考信号的频率与所述基频信号的频率相同时，计算基频信号实分量和基频信号虚分量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述第一相关运算的结果，计算所述基频信号的激电相位值，包括：

利用所述基频信号实分量及所述基频信号虚分量，计算所述基频信号的激电相位值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述基频信号实分量及所述基频信号虚分量，计算所述基频信号的激电相位值，包括：

将所述基频信号虚分量与所述基频信号实分量相除后，进行反正切运算，得到所述基频信号的激电相位值。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用奇次谐波参考信号对所述奇次谐波信号作第二相关运算，包括：

利用所述奇次谐波参考信号所包括的正弦奇次谐波参考信号及余弦奇次谐波参考信号，分别对相应的奇次谐波参考信号作相关运算；

当所述正弦奇次谐波参考信号及所述余弦奇次谐波参考信号的频率与所述基频信号的频率相同时，计算奇次谐波实分量及奇次谐波虚分量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述第二相关运算的结果，计算所述奇次谐波信号的激电相位值，包括：

利用所述奇次谐波实分量及所述奇次谐波虚分量，计算所述奇次谐波信号的激电相位值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用所述奇次谐波实分量及所述奇次谐波虚分量，计算所述奇次谐波信号的激电相位值，包括：

将所述奇次谐波虚分量与所述奇次谐波实分量相除后，进行反正切运算，得到所述奇次谐波信号的激电相位值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值，包括：

从激电相位值与对应频率满足线性关系的频率范围内，选取两个频率的激电相位值。

10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值按照预设规则去除电磁耦合，包括：

从计算得到的所述激电相位值中，选取两个频率的激电相位值，利用公式φ_IP≈(n·φ_D-φ_G)/(n-1)计算激电效应相位值φ_IP；

其中，f_g为选取的两个频率中较高的频率值，f_d为选取的两个频率中较低的频率值；φ_G为所述f_g所对应的激电相位值，φ_D为所述f_d所对应的激电相位值。